2.9. Використання енергії довкілля

Джерелом теплопостачання можуть служити теплові помпи, які перетворюють низькопотенційну теплову енергію довкілля (води, ґрунту, повітря), а також теплові відходи промислових підприємств і комунальних служб в теплову енергію потрібного потенціалу. Перенесення теплоти від джерела низького потенціалу на більш високий температурний рівень відбувається підведенням механічної енергії або додатковим підведенням теплоти.

Мал. 2.31. Схема парокомпресійної теплової помпи: 1 – конденсатор; 2 – дросель; 3 – випарювач; 4 – компресор

Найбільш простою конструкцією є теплова помпа парокомпресійного типу, схема якого наведена на мал. 2.31.

Конструкція парокомпресійної теплової помпи включає два теплообмінних апарата – випарювач, в якому відбувається випарювання рідинного холодильного агенту за рахунок підведення теплоти при невеликому тиску від середовища з низьким потенціалом, і конденсатор, в якому відбувається конденсація пароподібного холодильного агенту при підвищеному тиску віддачею теплоти теплоприймачу. У схемі передбачений компресор для відсмоктування з випарювача і стискання парів холодильного агенту до тиску конденсації.

Рівняння теплового балансу парокомпресійної теплової помпи має вигляд

QB = QH + W, де QB – енергія, яка передається від конденсатора до робочого середовища високого потенціалу; QH – енергія середовища низького потенціалу, яка передається випарювачу; W – механічна енергія, витрачена компресором для стискання холодильного агенту.

Цикл Карно щодо теплової помпи (мал. 2.32) складається з таких процесів:

• ізотермічний процес DC підведення теплоти QDC (QH) на низькому температурному рівні ТН, що відповідає умові теплообміну з довкіллям;

• ізоентропічне стискання СВ, в процесі якого до робочого тіла підводиться робота WCB;

• ізотермічний процес ВА відведення теплоти QBA (QB) на високому температурному рівні ТВ, що відповідає умові теплообміну із середовищем, яке нагрівається;

• ізоентропічне розширення AD, в процесі якого робоче тіло повертає енергію WAD, внаслідок чого до компресора подається зовнішня енергія W, яка дорівнює різниці енергій WCB і WAD.

Мал. 2.32. Цикл Карно і схема ідеальної теплової помпи

Відношення корисної теплоти, відведеної в процесі ВА, до витраченої роботи називають коефіцієнтом перетворення кп теплової помпи

кп = QBA W = TB /(TB – TH).

Практичний інтерес з точки зору енергопостачання становить коефіцієнт використання палива квп, який є відношенням корисної енергії на виході установки QB до кількості енергії Qпал, яке знаходиться в первинному паливі й використане для роботи теплової помпи:

квт = QB Qпал.

Мал. 2.33. Принцип роботи термоелектричного теплової помпи

Чим вище коефіцієнт використання палива, тим ефективніша робота теплової помпи. Іншими словами, ефективність теплової помпи тим вища, чим нижча вартість використаної для приводу компресора механічної або електричної енергії.

Більш складні конструкції аналогічного принципу дії мають теплові помпи абсорбційного і компресійно-резорбційного типів.

Інший принцип роботи мають термоелектричні теплові помпи, дія яких базується на ефекті Пельтьє. Якщо взяти напівпровідниковий пристрій, конструкція якого показана на мал. 2.33, то при пропусканні постійного струму через пристрій на переході n-p виділяється теплота, а на переході p-n – поглинається. Таким чином, зміною напряму електричного струму і його величини можна регулювати величину отриманої теплоти або відповідного охолодження.

Теплові помпи такого типу знаходять широке застосування як кондиціонери в приміщеннях, для підігріву води на фермах і в багатьох інших випадках.

Існують також теплові помпи, дія яких заснована на використанні ефекту Ранка, подвійного циклу Ренкіна, такі, що працюють за циклом Стірлинга, Брайтона та інших типів. Ці теплові помпи мають обмежене застосування і специфічні умови використання.

У цілому теплові помпи дозволяють одночасно вирішувати такі проблеми, як енергозбереження, зменшення ендогенного впливу на довкілля, економію енергетичних ресурсів і покращення умов роботи теплоенергетичних виробництв.

Теплова помпа для опалення будівель – екологічно чистий пристрій

Джерелами низькопотенційної теплоти, які забезпечують енергетично ефективну і економічно доцільну роботу теплопомпових установок, можуть бути:

• грунтова вода, яка зберігає на протязі року постійну температуру на рівні плюс 8–12°С;

• підземний грунт на глибині від 2 до 50 м при температурі плюс 10–14°С;

• морська вода з мінімальною температурою в зимовий період плюс 5–8°С;

• технічна вода систем охолодження ТЕС, АЕС, промислових та інших установок;

• стічні води очисних споруджень населених пунктів тощо.

Застосування теплових помп перспективне в комбінованих схемах в комплексі з іншими технологіями використання відновлювальних джерел енергії (сонячні, вітрові, біоенергетичні) і в локальних системах. Так, грунтові теплові помпи з тепловою потужністю до 16 кВт (к.к.д. до 6%) використовуються для опалення будівель і кондиціювання.

У багатьох розвинених країнах використання теплових помп є одним з ефективних напрямів політики енергозбереження. Значне розповсюдження отримали теплові помпи в локальних системах опалення США (600 тис.), Канади (136 тис.), Швеції (200 тис.), Німеччини (40 тис.), Японії та інших країн, їх потужність швидко зростатиме для теплопостачання (комунального і виробничого) в розвинутих країнах.

За прогнозом Світового енергетичного комітету до 2020 р. використання теплових помп для опалення і гарячого водопостачання складе 75%.